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<div> <div> <div> <p>Resonant orbits in a multi-body environment have been investigated in the past to aid the understanding of perceived chaotic behavior in the solar system. The invariant manifolds associated with resonant orbits have also been recently incorporated into the design of trajectories requiring reduced maneuver costs. Poincaré sections are now also extensively utilized in the search for novel, maneuver-free trajectories in various systems. This investigation employs dynamical systems techniques in the computation and characterization of resonant orbits in the higher-fidelity Circular Restricted Three-Body model. Differential corrections and numerical methods are widely leveraged in this analysis in the determination of orbits corresponding to different resonance ratios. The versatility of resonant orbits in the design of low cost trajectories to support exploration for several planet-moon systems is demonstrated. The efficacy of the resonant orbits is illustrated via transfer trajectory design in the Earth-Moon, Saturn-Titan, and the Mars-Deimos systems. Lastly, Poincaré sections associated with different resonance ratios are incorporated into the search for natural, maneuver-free trajectories in the Saturn-Titan system. To that end, homoclinic and heteroclinic trajectories are constructed. Additionally, chains of periodic orbits that mimic the geometries for two different resonant ratios are examined, i.e., periodic orbits that cycle between different resonances are determined. The tools and techniques demonstrated in this investigation are useful for the design of trajectories in several different systems within the CR3BP. </p> </div> </div> </div>

Este trabalho apresenta a modelagem de um problema representado por um pêndulo elástico com excitação paramétrica vertical do suporte e a análise de estabilidade do sistema pendular que se obtém desconsiderando a elasticidade do pêndulo. A modelagem dos pêndulos e a obtenção das equações do movimento são feitas a partir da equação de Lagrange, utilizando as leis de Newton e para a análise de estabilidade do sistema pendular são apresentados os diagramas de bifurcações, multiplicadores de Floquet, mapas e seções de Poincaré e expoentes de Lyapunov. O comportamento do sistema pendular com excitação paramétrica vertical do suporte é investigado através de simulação computacional e apresentam-se resultados para diferentes faixas de valores da amplitude de excitação externa. / This work presents the modeling of an elastic pendulum with parametric excitation of the support and the analysis of the stability of the pendulum that one obtains disregarding the elasticity of the pendulum. The modeling of the pendulum and the equation of motions are obtained from the Lagrange\'s equations, using Newton\'s law. The concepts of bifurcation, Floquet\'s multipliers, Poincaré maps and sections and Lyapunov exponent are presented for the analysis of stability. The behavior of the pendulum with parametric excitation of the suport is investigated through computational simulation and results for different intervals of values of the external excitation amplitude are presented.

Um propulsor do tipo Hall é um mecanismo que utiliza predominantemente uma configuração de campos eletromagnéticos Hall, um campo elétrico perpendicular a um campo magnético, para confinar elétrons e acelerar íons. Os elétrons são confinados dentro de um canal de aceleração onde os campos eletromagnéticos estão presentes. Um gás neutro é lançado dentro desse canal de aceleração de forma que os elétrons confinados podem colidir com os átomos do gás e os ionizar. Os íons gerados dessas colisões, elétrons-gás, são fortemente repelidos para fora do canal de aceleração pelo campo elétrico. A expulsão desses íons é o fator responsável pela propulsão. Nesses propulsores é importante que os elétrons estejam confinados dentro do canal de aceleração e que sejam capazes de produzir o maior número possível de íons. Visando determinar quais são os parâmetros de controle– intensidade dos campos eletromagnéticos– que propiciam uma dinâmica eletrônica com essas características, derivamos, via formalismo Hamiltoniano, as equações de movimento de um elétron e as analisamos. Dessas equações de movimento encontramos funções analíticas que indicam os limites geométricos atingidos pelo elétron dentro do sistema propulsor para cada conjunto de parâmetros de controle. Essas funções constituem o critério de confinamento eletrônico utilizado nesse trabalho. Além disso, a partir das equações de movimento, mostramos quais as configurações de campos eletromagnéticos que teoricamente incrementam o desempenho dos propulsores Hall. Verificamos que nas configurações de maior desempenho a dinâmica eletrônica é caótica. Neste trabalho, o caos é determinado com o auxílio dos mapas de Poincaré e dos expoentes de Lyapunov. / A Hall thruster is a system that utilizes an electromagnetic fields configuration predominantly like Hall, an electric field which lies perpendicular to a magnetic field, to confine electrons and to accelerate ions. The electrons are confined within an acceleration chamber where the electromagnetic fields are present. A neutral gas is released within this acceleration chamber so that the confined electrons can collide with the gas and ionize it. The ions generated from these collisions, the electron-gas, are strongly repelled by the electric field system. The expulsion of these ions generate the propulsion. In these thrusters it is very important that the electrons are confined within the acceleration chamber and are able to produce the largest possible number of ions. In order to determine the control parameters, that is, the electromagnetic fields intensity which provides an electronic dynamic with these characteristics; we derived, via Hamiltonian formalism, the motion equations for an electron and we analyzed them. From these motion equations, we found functions that indicate the electron geometric boundaries within these thrusters, for each set of control parameters. In this work, these functions indicate the electronic confinement. Moreover, from the motion equations, we showed the electromagnetic fields settings which theoretically improve the Hall thruster’s performance. We found that, in these higher performance settings, the electron dynamics is chaotic. In this work, the chaos is determined by Poincaré maps and by Lyapunov exponents.

Um propulsor do tipo Hall é um mecanismo que utiliza predominantemente uma configuração de campos eletromagnéticos Hall, um campo elétrico perpendicular a um campo magnético, para confinar elétrons e acelerar íons. Os elétrons são confinados dentro de um canal de aceleração onde os campos eletromagnéticos estão presentes. Um gás neutro é lançado dentro desse canal de aceleração de forma que os elétrons confinados podem colidir com os átomos do gás e os ionizar. Os íons gerados dessas colisões, elétrons-gás, são fortemente repelidos para fora do canal de aceleração pelo campo elétrico. A expulsão desses íons é o fator responsável pela propulsão. Nesses propulsores é importante que os elétrons estejam confinados dentro do canal de aceleração e que sejam capazes de produzir o maior número possível de íons. Visando determinar quais são os parâmetros de controle– intensidade dos campos eletromagnéticos– que propiciam uma dinâmica eletrônica com essas características, derivamos, via formalismo Hamiltoniano, as equações de movimento de um elétron e as analisamos. Dessas equações de movimento encontramos funções analíticas que indicam os limites geométricos atingidos pelo elétron dentro do sistema propulsor para cada conjunto de parâmetros de controle. Essas funções constituem o critério de confinamento eletrônico utilizado nesse trabalho. Além disso, a partir das equações de movimento, mostramos quais as configurações de campos eletromagnéticos que teoricamente incrementam o desempenho dos propulsores Hall. Verificamos que nas configurações de maior desempenho a dinâmica eletrônica é caótica. Neste trabalho, o caos é determinado com o auxílio dos mapas de Poincaré e dos expoentes de Lyapunov. / A Hall thruster is a system that utilizes an electromagnetic fields configuration predominantly like Hall, an electric field which lies perpendicular to a magnetic field, to confine electrons and to accelerate ions. The electrons are confined within an acceleration chamber where the electromagnetic fields are present. A neutral gas is released within this acceleration chamber so that the confined electrons can collide with the gas and ionize it. The ions generated from these collisions, the electron-gas, are strongly repelled by the electric field system. The expulsion of these ions generate the propulsion. In these thrusters it is very important that the electrons are confined within the acceleration chamber and are able to produce the largest possible number of ions. In order to determine the control parameters, that is, the electromagnetic fields intensity which provides an electronic dynamic with these characteristics; we derived, via Hamiltonian formalism, the motion equations for an electron and we analyzed them. From these motion equations, we found functions that indicate the electron geometric boundaries within these thrusters, for each set of control parameters. In this work, these functions indicate the electronic confinement. Moreover, from the motion equations, we showed the electromagnetic fields settings which theoretically improve the Hall thruster’s performance. We found that, in these higher performance settings, the electron dynamics is chaotic. In this work, the chaos is determined by Poincaré maps and by Lyapunov exponents.

O free-electron laser (FEL) surgiu como uma nova fonte de radiação eletromagnética. O presente trabalho trata do efeito de carga em um FEL específico: de passagem única; e, sendo que as interações relevantes são entre o feixe e o campo magnético e entre os elétrons (não são estudados os campos auto consistentes do laser). Encontram-se as equações de movimento de cada partícula dentro do poço e comparam-se os resultados analíticos com os resultados obtidos por simulação computacional, para os limites de povoamento dos elétrons em uma situação de equilíbrio. Posteriormente, se analisa o efeito de carga através dos mapas de Poincaré, introduzindo partículas com uma determinada distribuição inicial, dentro do potencial aprisionador. Conclui-se que a introdução de cargas aumenta o número de graus de liberdade do sistema, fazendo com que os mapas de Poincaré não sejam mais uma boa ferramenta para analisar a dinâmica do sistema. Observa-se, também, o fenômeno de quebra de onda no FEL através do efeito do balanço do potencial e de uma distribuição inicial de elétrons diferente da distribuição de equilíbrio. / Free-electron laser (FEL) was first created as a new source of electromagnetic radiation. The present work is about the charge effect on a specific FEL: single pass; and, with interactions between the beam and the magnetic field and between electrons (laser self consistent fields are not studied). Motion equations of each particle inside ponderomotive well are discovered, and then analytic results for the limits of electronic population are compared with simulated ones, in the situation of equilibrium. Afterwards, particles are introduced in the trapping potential, respecting a defined initial distribution, so the charge effect is analyzed through Poincaré maps. In conclusion, the introduction of charges raises the number of freedom degrees of the system. This makes the Poincaré maps not such a good tool to analyze the system dynamics. The wave breaking phenomenon is also observed in FEL through oscillation balance effect and an initial electronic distribution distinct of the equilibrium one.

Um propulsor do tipo Hall é um mecanismo que utiliza predominantemente uma configuração de campos eletromagnéticos Hall, um campo elétrico perpendicular a um campo magnético, para confinar elétrons e acelerar íons. Os elétrons são confinados dentro de um canal de aceleração onde os campos eletromagnéticos estão presentes. Um gás neutro é lançado dentro desse canal de aceleração de forma que os elétrons confinados podem colidir com os átomos do gás e os ionizar. Os íons gerados dessas colisões, elétrons-gás, são fortemente repelidos para fora do canal de aceleração pelo campo elétrico. A expulsão desses íons é o fator responsável pela propulsão. Nesses propulsores é importante que os elétrons estejam confinados dentro do canal de aceleração e que sejam capazes de produzir o maior número possível de íons. Visando determinar quais são os parâmetros de controle– intensidade dos campos eletromagnéticos– que propiciam uma dinâmica eletrônica com essas características, derivamos, via formalismo Hamiltoniano, as equações de movimento de um elétron e as analisamos. Dessas equações de movimento encontramos funções analíticas que indicam os limites geométricos atingidos pelo elétron dentro do sistema propulsor para cada conjunto de parâmetros de controle. Essas funções constituem o critério de confinamento eletrônico utilizado nesse trabalho. Além disso, a partir das equações de movimento, mostramos quais as configurações de campos eletromagnéticos que teoricamente incrementam o desempenho dos propulsores Hall. Verificamos que nas configurações de maior desempenho a dinâmica eletrônica é caótica. Neste trabalho, o caos é determinado com o auxílio dos mapas de Poincaré e dos expoentes de Lyapunov. / A Hall thruster is a system that utilizes an electromagnetic fields configuration predominantly like Hall, an electric field which lies perpendicular to a magnetic field, to confine electrons and to accelerate ions. The electrons are confined within an acceleration chamber where the electromagnetic fields are present. A neutral gas is released within this acceleration chamber so that the confined electrons can collide with the gas and ionize it. The ions generated from these collisions, the electron-gas, are strongly repelled by the electric field system. The expulsion of these ions generate the propulsion. In these thrusters it is very important that the electrons are confined within the acceleration chamber and are able to produce the largest possible number of ions. In order to determine the control parameters, that is, the electromagnetic fields intensity which provides an electronic dynamic with these characteristics; we derived, via Hamiltonian formalism, the motion equations for an electron and we analyzed them. From these motion equations, we found functions that indicate the electron geometric boundaries within these thrusters, for each set of control parameters. In this work, these functions indicate the electronic confinement. Moreover, from the motion equations, we showed the electromagnetic fields settings which theoretically improve the Hall thruster’s performance. We found that, in these higher performance settings, the electron dynamics is chaotic. In this work, the chaos is determined by Poincaré maps and by Lyapunov exponents.

O free-electron laser (FEL) surgiu como uma nova fonte de radiação eletromagnética. O presente trabalho trata do efeito de carga em um FEL específico: de passagem única; e, sendo que as interações relevantes são entre o feixe e o campo magnético e entre os elétrons (não são estudados os campos auto consistentes do laser). Encontram-se as equações de movimento de cada partícula dentro do poço e comparam-se os resultados analíticos com os resultados obtidos por simulação computacional, para os limites de povoamento dos elétrons em uma situação de equilíbrio. Posteriormente, se analisa o efeito de carga através dos mapas de Poincaré, introduzindo partículas com uma determinada distribuição inicial, dentro do potencial aprisionador. Conclui-se que a introdução de cargas aumenta o número de graus de liberdade do sistema, fazendo com que os mapas de Poincaré não sejam mais uma boa ferramenta para analisar a dinâmica do sistema. Observa-se, também, o fenômeno de quebra de onda no FEL através do efeito do balanço do potencial e de uma distribuição inicial de elétrons diferente da distribuição de equilíbrio. / Free-electron laser (FEL) was first created as a new source of electromagnetic radiation. The present work is about the charge effect on a specific FEL: single pass; and, with interactions between the beam and the magnetic field and between electrons (laser self consistent fields are not studied). Motion equations of each particle inside ponderomotive well are discovered, and then analytic results for the limits of electronic population are compared with simulated ones, in the situation of equilibrium. Afterwards, particles are introduced in the trapping potential, respecting a defined initial distribution, so the charge effect is analyzed through Poincaré maps. In conclusion, the introduction of charges raises the number of freedom degrees of the system. This makes the Poincaré maps not such a good tool to analyze the system dynamics. The wave breaking phenomenon is also observed in FEL through oscillation balance effect and an initial electronic distribution distinct of the equilibrium one.

Este trabalho apresenta a modelagem de um problema representado por um pêndulo elástico com excitação paramétrica vertical do suporte e a análise de estabilidade do sistema pendular que se obtém desconsiderando a elasticidade do pêndulo. A modelagem dos pêndulos e a obtenção das equações do movimento são feitas a partir da equação de Lagrange, utilizando as leis de Newton e para a análise de estabilidade do sistema pendular são apresentados os diagramas de bifurcações, multiplicadores de Floquet, mapas e seções de Poincaré e expoentes de Lyapunov. O comportamento do sistema pendular com excitação paramétrica vertical do suporte é investigado através de simulação computacional e apresentam-se resultados para diferentes faixas de valores da amplitude de excitação externa. / This work presents the modeling of an elastic pendulum with parametric excitation of the support and the analysis of the stability of the pendulum that one obtains disregarding the elasticity of the pendulum. The modeling of the pendulum and the equation of motions are obtained from the Lagrange\'s equations, using Newton\'s law. The concepts of bifurcation, Floquet\'s multipliers, Poincaré maps and sections and Lyapunov exponent are presented for the analysis of stability. The behavior of the pendulum with parametric excitation of the suport is investigated through computational simulation and results for different intervals of values of the external excitation amplitude are presented.